Prečo tlak klesá s nárastom objemu?

Robert Boyle, írsky chemik, ktorý žil v rokoch 1627 až 1691, bol prvou osobou, ktorá dala do súvislosti objem plynu v obmedzenom priestore s objemom, ktorý zaberá. Zistil, že ak zvýšite tlak (P) na stále množstvo plynu pri konštantnej teplote, objem (V) sa zmenší tak, že súčin tlaku a objemu zostane konštantný. Ak znížite tlak, objem sa zvýši. Matematicky:

kde C je konštanta. Tento vzťah, známy ako Boyleov zákon, je jedným zo základných kameňov chémie. Prečo sa to stalo? Zvyčajná odpoveď na túto otázku spočíva v konceptualizácii plynu ako súboru voľne sa pohybujúcich mikroskopických častíc.

TL; DR (príliš dlhý; Nečítali)

Tlak plynu sa mení inverzne s objemom, pretože častice plynu majú konštantné množstvo kinetickej energie pri stálej teplote.

Boyleov zákon je jedným z predchodcov zákona o ideálnom plyne, ktorý hovorí, že:

kde n je hmotnosť plynu, T je teplota a R je plynová konštanta. Zákon ideálneho plynu, podobne ako Boyleov zákon, technicky platí iba pre ideálny plyn, aj keď oba vzťahy poskytujú dobrú aproximáciu skutočných situácií. Ideálny plyn má dve vlastnosti, ktoré sa v skutočnom živote nikdy nevyskytujú. Prvým je, že častice plynu sú stopercentne elastické a pri údere o seba alebo o steny nádoby nestrácajú žiadnu energiu. Druhou charakteristikou je, že častice ideálneho plynu nezaberajú žiadny priestor. Sú to v podstate matematické body bez rozšírenia. Skutočné atómy a molekuly sú nepatrne malé, ale zaberajú priestor.

Pochopíte, ako plyn vyvíja tlak na steny nádoby, iba ak nevychádzate z predpokladu, že v priestore nemajú predĺženie. Skutočná častica plynu nemá iba hmotnosť, má energiu pohybu alebo kinetickú energiu. Keď dáte do nádoby veľké množstvo takýchto častíc, energia, ktorú dodajú steny nádoby vytvárajú tlak na steny, a to je tlak, na ktorý Boyleov zákon odkazuje. Za predpokladu, že častice sú inak ideálne, budú na ne vyvíjať rovnaké množstvo tlaku steny, pokiaľ teplota a celkový počet častíc zostanú konštantné a nezmeníte kontajner. Inými slovami, ak sú T, n a V konštantné, potom zákon ideálneho plynu hovorí, že P je konštantné.

Teraz predpokladajme, že umožníte zväčšiť objem nádoby. Častice majú ísť ďalej do svojich cesta k stenám kontajnera a skôr ako k nim dôjde, pravdepodobne utrpia ďalšie kolízie s ostatnými častice. Celkovým výsledkom je, že menej častíc dopadá na steny nádoby a tie, ktoré ju spôsobujú, majú menšiu kinetickú energiu. Aj keď by bolo nemožné vystopovať jednotlivé častice v nádobe, pretože ich počet je rádovo 10²³, môžeme pozorovať celkový efekt. Tento efekt, ktorý zaznamenal Boyle a tisíce vedcov po ňom, spočíva v tom, že tlak na steny klesá.

V opačnej situácii sa častice pri znížení hlasitosti hromadia. Pokiaľ teplota zostáva konštantná, majú rovnakú kinetickú energiu a viac z nich naráža na steny častejšie, takže tlak stúpa.